Chapas do aço inoxidável duplex UNS S32304 foram fornecidas pela empresa Aperam
South America para a retirada de corpos de prova (CP’s) para a realização deste trabalho. A
Tabela 4.1 apresenta a composição química fornecida pela fabricante. O baixo teor de molibdênio, o classifica como lean. As amostras foram retiradas de uma chapa laminada a frio com redução de área de 48% e espessura final de 2,5mm, recozida e decapada com acabamento 2B (laminador de encruamento).
Tabela 4.1 – Composição química das chapas do aço duplex UNS S32304 investigadas nesse trabalho.
C Mn Si Cr Ni P S Cu Mo N
% em massa 0,01 1,34 0,31 22,23 4,10 0,025 0,0004 0,09 0,32 0,10
Caracterização Estrutural do Estado de Entrega
As análises microestruturais do aço no seu estado de entrega, por microscopia óptica, foram realizadas no Laboratório de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica (LTM) do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Uma amostra da chapa do aço inoxidável duplex UNS S32304 com dimensões 10x10x2,5mm foi retirada para análise no microscópio óptico (MO). As amostras foram embutidas e metalograficamente preparadas seguindo a Norma ASTM E3-11 [74]. A superfície analisada foi o plano da espessura da chapa no sentido de laminação.
Para a caracterização qualitativa, a amostra foi polida com suspensão aquosa de alumina de 1µm, pasta de diamante de 1µm e sílica coloidal de 0,02µm. Utilizou-se o ataque eletrolítico aquoso KOH (1000ml de solução, 100g de KOH e 900g de água destilada) com a aplicação de uma tensão constante de 3V por 30s de imersão para a revelação da microestrutura.
Para a etapa de quantificação das fases primárias (austenita e ferrita), a mesma amostra utilizada na caracterização qualitativa foi novamente preparada nas lixas de granulometria 800# e 1200# e passou por polimento com suspensão aquosa de alumina de 1µm, pasta de diamante de 1µm e pasta de diamante de 0,25µm. O reativo Beraha (20ml de HCl, 80ml de H2O, 1g de K2S2O5, 2,4g de (NH4)HSO4 foi empregado para revelar as fases primárias (ferrita – fase mais escura e austenita – fase mais clara). As frações volumétricas de ferrita e austenita foram
determinadas por uma varredura em vários campos, utilizando-se um aumento de 1000X, com auxílio do software analisador de imagem LAS-LEICA acoplado ao microscópio óptico.
Soldagem a Laser
Na segunda etapa do estudo, cinco conjuntos de duas chapas para cada condição de soldagem do aço inoxidável duplex UNS S32304 com dimensões de 6,5x6,5cm, foram soldados a laser (solda de topo) no sentido de laminação da chapa. A execução da soldagem se deu no Laboratório Multiusuário de Desenvolvimento e Aplicações de Lasers e Óptica (DEDALO) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). Duas condições distintas de soldagem foram avaliadas nessa etapa, sendo elas:
• AT100, realizada com velocidade de soldagem de 600mm/min. e potência de 1000W, gerando um aporte térmico de 100J/mm;
• AT50, realizada com velocidade de soldagem de 2400mm/min. e potência de 2000W, gerando um aporte térmico de 50J/mm;
Estas condições foram escolhidas baseadas em experimentos laboratoriais com o intuito de se obter aportes térmicos significativamente distintos para que fosse possível observar as transformações de fases na zona fundida geradas como uma função desse parâmetro.
No item abaixo será detalhado o funcionamento e especificações do equipamento.
Sistema de Soldagem
O laser a fibra de alta potência, fabricado pela IPG Photonics Ltd., modelo YLR-2000, utilizado nesse trabalho, está instalado no Laboratório Multiusuário de Desenvolvimento e Aplicações de Lasers e Óptica (DEDALO), do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). Este laser possui potência máxima de 2000W, em operação contínua.
O laser está inserido em uma cabine de processamento em alumínio (3x3x3) m3. Ele é produzido dentro de uma fibra de vidro dopada com itérbio, de 50µm de diâmetro e 5m de extensão. Uma fibra de processo com diâmetro de 100µm e 10m de comprimento é conectada à primeira fibra por meio de uma unidade de acoplamento. A fibra de processo é ligada a um colimador e sistema de focalização que constituem parte da cabeça de soldagem.
As mangueiras do sistema de resfriamento e do sistema de gases de processo e proteção da óptica ficam ligadas à cabeça de soldagem. O gás de proteção utilizado foi o argônio puro em uma vazão constante de 8L/min. e o nitrogênio foi o gás de processo. Há também um sistema de exaustão de fumos, acionado quando necessário. Um esquema da estação de processamento a laser é ilustrado na Figura 4.1.
Figura 4.1 – Desenho esquemático da estação de processamento a laser. Adaptado de Correard [75].
A utilização de uma mesa de soldagem confeccionada em duralumínio e com pinças de aço com a ponteira de borracha foi necessária para fixar as chapas a serem soldadas. A mesa possibilita o engate e desengate de chapas com dimensões de até 200x200mm e com espessuras de no máximo 3mm.
As chapas foram colocadas sob a mesa de soldagem com comando numérico computadorizado (CNC) controlado por meio do software EMC2 operado pelo sistema Linux [76], que permite variar a velocidade e a posição do laser. A mesa é ativada por motores de passo, sua velocidade varia entre 5mm/s e 160 mm/s e os eixos X e Y possuem 430 e 508mm de comprimento, respectivamente, ambos com resolução de 5µm. Um eixo Z com curso de 215mm e resolução de 1µm foi incorporado à mesa. Este eixo fixa a focalização óptica e a posição do foco do feixe de laser é ajustada manualmente sobre a amostra. A lente de focalização tem distância focal de 160mm.
Simulação Computacional dos Ciclos Térmicos de Soldagem
Uma vez que é inviável realizar as medições de temperaturas durante a soldagem a laser, com o objetivo de melhor entender os efeitos dos ciclos térmicos de aquecimento e resfriamento sobre a microestrutura da junta soldada, se fez necessário o uso de métodos numéricos para se avaliar os gradientes térmicos aos quais as chapas foram submetidas durante o processo de soldagem. No presente estudo foi utilizado um software específico para soldagem denominado SYSWELD, comercializado pela empresa ESI-Group (França, www.esi-group.com). A referência original ao código fonte do software se encontra em [77]. O software resolve, por meio da aplicação do método dos elementos finitos, a maior parte das informações úteis de processos de soldagem, incluindo a soldagem a laser.
O software possui uma base de dados extensiva das propriedades dos materiais metálicos, de forma a permitir uma estimativa das características termo-metalúrgicas e mecânicas do componente durante e após a soldagem. As propriedades do aço inoxidável duplex UNS S32304, contudo, não fazem parte da base de dados do software, sendo então necessário o uso do material cuja condutividade térmica, calor específico e densidade estejam o mais próximo possível do material de estudo. Neste caso, foram utilizadas as propriedades termodinâmicas do aço inoxidável 316L.
A simulação computacional partiu de um modelo tridimensional no qual uma malha foi inserida, como aquela apresentada na Figura 4.2. Nota-se que a malha é refinada em torno da trajetória da fonte de calor, de forma a melhorar a resolução onde o gradiente térmico é mais elevado. Como a transferência térmica é realizada por meio dos nós entre cada elemento da malha, escolheu-se uma distância mínima entre os nós de 0,25mm no eixo Z e 0,3mm no eixo X em torno da fonte de calor. O número total de elementos na simulação foi 140.000 nós em uma rede tetraédrica.
Figura 4.2 – Modelo tridimensional utilizado na simulação computacional do perfil térmico de soldagem no
Direção da fonte de calor (laser)
Como dados de entrada da simulação computacional, foram utilizados os mesmos valores das potências e velocidades empregados na etapa experimental de soldagem, já apresentados no item 4.3. Uma absortividade do feixe de laser de 65% foi considerada [78]. Deve-se notar que a absortividade foi um ajuste para a simulação e não foi baseada em dados determinados experimentalmente. A técnica de calorimetria para a estimativa da absortividade não pôde ser aplicada devido às dimensões da amostra [79]. Esta absortividade foi otimizada de forma que o formato estimado da poça de fusão correspondesse às dimensões verificadas experimentalmente nas amostras soldadas, atuando assim como um parâmetro de calibração e validação do modelo.
No presente estudo, os dados de saída da simulação computacional foram os perfis de temperatura em função do tempo para as duas condições experimentais denominadas AT100 e AT50.
Tratamentos Térmicos Pós-Soldagem
O intuito dos tratamentos térmicos é tentar reestabelecer algo mais próximo possível de 50% de austenita na zona fundida do componente soldado a laser, que tende a ser majoritariamente ferrítica. E, para que tratamentos térmicos pós-soldagem a laser possam ser executáveis e economicamente viáveis na indústria, é importante que sejam eficientemente planejados, ou seja, deseja-se que os objetivos de mudanças microestruturais sejam alcançados com o menor consumo de energia e tempo possíveis. Portanto, parte dos componentes soldados foram submetidas à tratamentos isotérmicos por 10 minutos em um forno fabricado pelo Instituto de Aeronáutica e Espaço, AMR - Divisão de Materiais e resfriadas em água. A Tabela 4.2 apresenta as temperaturas de tratamento térmico utilizadas e as respectivas nomenclaturas adotadas. Destaca-se que as condições identificadas pela letra L foram aquelas soldadas na condição AT100 e as outras identificadas pela letra R foram soldadas na condição AT50.
Estas temperaturas foram escolhidas com base em estudos realizados anteriormente [13,44,46,80]. O intervalo entre 850°C e 1050°C foi escolhido, pois está entre dois extremos que, no equilíbrio, teria uma fração volumétrica de 50% de cada fase, como mostra a Figura 3.2. E, considerando que os tratamentos térmicos são fora do equilíbrio, a temperatura de 1150°C também foi escolhida. Assim, seria possível avaliar dentre as temperaturas escolhidas a que no tempo de 10 minutos teria força motriz significativa para obter frações de austenita próxima de 50%.
Tabela 4.2 – Temperaturas dos tratamentos térmicos pós-soldagem aplicados nas amostras submetidas às diferentes condições de soldagem.
Identificação Condição de Soldagem
Temperatura de Tratamento Isotérmico (10min) L1 AT100 850ºC L2 AT100 950ºC L3 AT100 1050ºC L4 AT100 1150ºC R1 AT50 850ºC R2 AT50 950ºC R3 AT50 1050ºC R4 AT50 1150ºC
Caracterização Microestrutural das Amostras Soldadas e Soldadas com Tratamento Térmico Pós-Soldagem
Os mesmos procedimentos de caracterização microestrutural básicos foram aplicados nas amostras apenas soldadas bem como nas amostras soldadas e submetidas aos tratamentos térmicos pós-soldagem. No entanto, para fins de refino da caracterização, apenas algumas dessas amostras foram submetidas a procedimentos de caracterização mais detalhados. Todas as etapas executas estão precisamente descritas nos itens de 4.6.1 a 4.6.3.
Caracterização Microestrutural Qualitativa e Quantitativa
As análises metalográficas por microscopia óptica foram realizadas no Laboratório de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica (LTM) do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP). Amostras das chapas no sentido transversal ao de soldagem (Figura 4.3) com aproximadamente 15x2,5mm de dimensão foram retiradas para análise ao microscópio óptico (MO). A superfície analisada metalograficamente, longitudinal ao sentido de laminação e transversal ao sentido de soldagem, está indicada pela seta vermelha na Figura 4.3. As amostras foram embutidas e preparadas metalograficamente seguindo a Norma ASTM E3-11 [74].
Figura 4.3 – Seção metalograficamente analisada indicada pela seta vermelha.
Para a caracterização qualitativa do cordão de solda e do metal base, a amostra foi polida com suspensão aquosa de alumina de 1µm, pasta de diamante de 1µm e sílica coloidal de 0,02µm. Utilizou-se o ataque eletrolítico aquoso KOH (1000ml de solução, 100g de KOH e 900g de água destilada) com a aplicação de uma tensão constante de 3V por 30s de imersão para a revelação da microestrutura.
Para a etapa de quantificação das fases primárias (austenita e ferrita), a mesma amostra utilizada na caracterização qualitativa foi novamente preparada nas lixas de granulometria 800# e 1200# e passou por polimento com suspensão aquosa de alumina de 1µm, pasta de diamante de 1µm e pasta de diamante de 0,25µm. O reativo Beraha modificado (20ml de HCl, 80ml de H2O, 1g de K2S2O5, 2,4g de (NH4)HSO4 foi empregado para revelar a zona fundida e as fases contidas nela. As frações volumétricas de ferrita e austenita foram determinadas por uma varredura completa na imagem da zona fundida (aumento de 200X) com auxílio do software analisador de imagem LAS-LEICA acoplado ao microscópio óptico.
Para a medição do espaçamento interlamelar de ferrita no metal base, ou seja, a distância média entre ilhas de austenita (largura média dos grãos de ferrita), foram feitas cinco micrografias do metal base com aumento de 500X para cada amostra. Com o auxílio do
software ImageJ 1.52a foram feitas as medições do espaçamento interlamelar da ferrita.
Inicialmente, uma linha teste foi traçada na escala da imagem e mediu-se o seu comprimento em pixels. Em seguida, uma linha teste na direção perpendicular às lamelas de ferrita e austenita foi desenhada no metal base. Mediu-se o seu comprimento em pixels e contou quantas lamelas de austenita foram interceptadas. Para se obter o espaçamento interlamelar em mícron, utilizou- se a Equação 4.1.
𝐸𝑠𝑝𝑎ç𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑙𝑎𝑚𝑒𝑙𝑎𝑟(𝜇𝑚) =IJ(KLMNOP)×IJ(R.)ST×IT(KLMNOP) (4.1) Onde:
TE = Tamanho da escala da imagem
NL = Número de lamelas de austenita interceptadas pela linha teste TL = Tamanho da linha teste no metal base
Em cada imagem foram feitas 10 linhas teste e repetiu-se o procedimento acima. O espaçamento interlamelar de cada amostra, portanto, foi dado pela média destas cinquenta medições aleatórias no metal base antes e após os tratamentos térmicos. O objetivo foi verificar como o tratamento térmico estaria afetando o metal base.
Para a medição da porosidade na fratura da zona fundida, foi utilizado o método das áreas aplicado a micrografias obtidas na seção transversal da amostra, em relação ao sentido de soldagem (“Light Optical Microscopy Cross-Sections Method”). Várias imagens de microscopia óptica da seção transversal da ZF foram submetidas a análises de imagens e a área total de poros, em µm2, foi medida (SP), bem como a área total da ZF (SFZ). Este método consistiu em calcular a área relativa média de poros em relação à área da ZF P (%) (Equação 4.2). A amostragem qualitativa garantiu um valor de R.A., ou seja, uma precisão relativa inferior a 5% [81].
𝑃 (%) =WWX
YZ (4.2)
Refino da Caracterização Microestrutural por Difração de Elétrons Retroespalhados (EBSD)
Apesar das limitações do EBSD para a quantificação de fases, ele foi utilizado para confirmar a identidade das fases ferrita e austenita e verificar se as mesmas tendências de variação de frações dessas fases seriam verificadas por EBSD, dando respaldo à técnica de MO. Como esta metodologia foi empregada apenas para respaldar os resultados obtidos pelo emprego da técnica de MO, selecionou-se apenas três condições: estado de entrega, AT100 e L4 para análise via EBSD.
Para as análises via EBSD, as amostras foram submetidas aos mesmos procedimentos de preparação metalográfica para microscopia óptica com um adicional de 1,5 horas de polimento com sílica coloidal de 0,02µm na politriz automática Buehler Minimet. As análises EBSD foram efetuadas no Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) Vega 3 – Tescan com o auxílio do software AZtec Oxford no Laboratório de Microscopia Eletrônica da REDEMAT, Escola de Minas, UFOP (NanoLab).
Caracterização da Precipitação de Nitretos de Cromo Análise via MO
No Laboratório de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica (LTM) para uma análise preliminar, utilizou-se um ataque eletrolítico aquoso com ácido oxálico (10%) com a aplicação de uma tensão constante de 3V por 30s de imersão para destacar os nitretos de cromo.
Análise via MEV
Com o propósito de investigar mais detalhadamente a precipitação de nitretos de cromo nos contornos de grãos da zona fundida da amostra AT50, análises no microscópio eletrônico de varredura Vega 3 – Tescan foram realizadas no Laboratório de Microscopia Eletrônica da REDEMAT, Escola de Minas, UFOP (NanoLab). A amostra foi preparada seguindo os mesmos procedimentos de preparação metalográfica para análise no MO. Então, baseado em dados da literatura e na norma ASTM A1084 [82], dois reativos foram utilizados para revelar as evidências da presença dos precipitados de nitretos de cromo: ácido oxálico (10%) com a aplicação de uma tensão constante de 3V por 30s (uma evidência indireta por causa da ocorrência da sensitização onde os nitretos de cromo precipitaram) e Beraha modificado (20ml de HCl, 80ml de H2O, 1g de K2S2O5, 2,4g de (NH4)HSO4 por 10s (evidência direta devido a revelação de nitretos de cromo nanoestruturados) [83].
Análise via Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)
Além disso, com o objetivo de verificar a presença de nitretos de cromo foi realizada uma análise via MET no Centro de Microscopia da Universidade Federal de Minas Gerais (CM- UFMG). Para isso, a zona fundida da amostra AT100 foi previamente preparada por meio da técnica de feixe de elétrons focalizado (FIB) no microscópio eletrônico de varredura QUANTA FEG 3D FEI. Uma amostra em forma de cunha foi obtida pelo corte realizado pelo FIB com dimensões de 4µm x 2µm e espessura inferior a 200nm para a análise por MET modelo TECNAI G2-20 SUPERTWIN FEI 200kV.
Ensaios Mecânicos e de Corrosão
Microdureza Vickers das Amostras Soldadas e Soldadas com Tratamento Térmico Pós-Soldagem
No Laboratório de Tratamentos Térmicos e Microscopia Óptica (LTM) do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) foram realizadas medidas de microdureza Vickers, segundo a Norma ASTM E384/2017 [84], de todas as amostras analisadas para avaliar os efeitos de soldagem e dos TT nas regiões da ZF e MB. Utilizou-se um microdurômetro digital da marca Pantec com carga de 100gf e tempo de penetração de 5 segundos. O ensaio foi realizado nas amostras atacadas pelo reativo Behara modificado para que fosse possível identificar a região do metal base e a zona fundida. A Figura 4.4 mostra o esquema utilizado para medir a microdureza de cada região das amostras. A microdureza do MB e da ZF foi considerada sendo a média aritmética das medições realizadas em cada região.
Figura 4.4 –Esquema para a medição de microdureza Vickers.
Diretriz Geral para os Ensaios Subsequentes
Destaca-se que nessa etapa do trabalho, baseado nos resultados já obtidos para as etapas anteriormente descritas, definiu-se com base em critérios microestruturais (densidade de descontinuidades volumétricas e fração volumétrica de austenita precipitada na zona fundida), que a condição de soldagem mais favorável entre as estudadas foi a AT100 e a temperatura de tratamento isotérmica de 1150°C (L4) foi a mais adequada para o intervalo de tempo de 10 minutos. Sendo assim, os ensaios subsequentes foram realizados para estas condições: AT100 e L4, sempre comparando os resultados obtidos com aqueles verificados para a amostra no estado de entrega (referência para comparação).
Para verificar as diferenças de durezas específicas das fases ferrita e austenita, assim como a influência da solda e do tratamento térmico a 1150°C nas suas durezas, medições de ultramicrodureza Vickers, segundo a Norma ASTM E384/2017 [84], foram realizadas no Laboratório de Metalografia do Departamento de Engenharia de Materiais do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET/MG). Utilizou-se um ultra-microdurômetro dinâmico DUH-211/DUH-211S da marca Shimadzu com carga de 5gf, tempo de penetração de 5 segundos. Para a obtenção dos valores médios de dureza, 5 medições foram feitas em cada fase, para cada uma das condições: AT100 e L4.
Ensaios de Corrosão
As amostras no estado de entrega (EE), AT100 e L4 foram submetidas à um ensaio de corrosão com análise de micro área desenvolvida no Laboratório de Análises Eletroquímicas do Instituto Tecnológico de Aeronáutico (ITA) por Cruz e Bertazzoli [85], que permite a caracterização da susceptibilidade à corrosão das regiões da solda, até mesmo as mais estreitas, como é o caso da zona fundida na soldagem a laser. Os autores obtiveram resultados satisfatórios, o desempenho observado em macroescala, foi reproduzido com sucesso em microescala na caracterização da resistência à corrosão em diferentes zonas da junta soldada por fricção do aço API X-70 em uma solução ácida de Na2SO4 [85].
Equipamento
O potenciostato utilizado para medir as curvas de Open Circuit Potential (OCP) e as curvas de polarização foi o Metrohm Autolab modelo PGSTAT204. Três eletrodos foram utilizados no ensaio. O eletrodo de trabalho (a peça), o eletrodo de referência de tungstênio com 125µm de diâmetro e oxidado em uma solução de 0,1mol/l de ácido sulfúrico do potencial de 0,954 até 1,854V em relação ao eletrodo Ag/AgCl saturado e o contra-eletrodo de platina com 100µm de diâmetro. A Figura 4.5 apresenta o aparato utilizado no ensaio. Os ensaios foram realizados em atmosfera com umidade relativa do ar controlada em 78±4%. Todas as análises foram feitas em uma gaiola de Faraday.
Figura 4.5 – Esquema da micro célula dos ensaios de corrosão.
Preparação das Amostras
Primeiramente, as amostras foram embutidas e preparadas metalograficamente seguindo a Norma ASTM E3-11 [74]. Para o polimento utilizou-se uma suspensão aquosa de alumina de 1µm e pasta de diamante de 1µm. Em seguida, as amostras foram atacadas com